SU1412517A1

SU1412517A1 - Method of ion implantation

Info

Publication number: SU1412517A1
Application number: SU864043300A
Authority: SU
Inventors: Н.М. Арзубов; В.А. Ваулин; Г.П. Исаев; О.С. Кузьмин; А.И. Рябчиков
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1990-09-07

Abstract

Изобретение относитс к технической физике, в частности к радиаци- рииому материаловедению, и предназначено дл улучшени электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов, полупроводников, диэлектриков и др. методом ионной имплантации. Целью изобретени вл етс увеличение концентрации имплантируемой примеси в любом материале, котора в этом случае определ етс дозой tmm лантированных ионов. Дл этого в предлагаемом способе нар ду с процвс сом . имплантагщи ускоренных оиов (УИ) в материал образца создают notok Нейтральных атомов или ионов (частиц ) (Ч) с энергией 1-100 эВ облуча - ют поверхность образца Ч двумл поте- ками. Облучают либо одновременно, с процессом имплантации, при этом поток 4 формируют равным потоку распыш емш под действием УИ атомов поверхности образца, или многократно И поочередйо с процессом имплантации, йри этом в одном цикле доза облучени 3 должна быть меньше значени , когда толщина распыленного сло сравнипассо средним проецированным пробегом УИ в образце, а доза Ч равна числу распыленных dto MOB образца с единичной поверхност 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The invention relates to technical physics, in particular to the radiation of materials science, and is intended to improve the electrophysical, chemical, and mechanical properties of the surface of metal products and alloys, semiconductors, dielectrics, and others by ion implantation. The aim of the invention is to increase the concentration of an implantable impurity in any material, which in this case is determined by the dose tmm of the lanthanum ions. For this, in the proposed method, along with the process flow. implanted accelerated particles (MD) in the sample material create notok Neutral atoms or ions (particles) (H) with an energy of 1-100 eV and irradiate the surface of the sample with two leaks. It is irradiated either simultaneously with the implantation process, wherein the stream 4 is formed equal to the flux under the influence of the UI atoms of the sample surface, or repeatedly And alternately with the implantation process, and in one cycle the irradiation dose 3 should be less than when the thickness of the sprayed layer the average projected mileage UI in the sample, and the dose H is equal to the number sprayed dto MOB sample with a single surface of 1 Cp. f-ly, 2 ill.

Description

Изобретение относитс к технической физике, в частности к радиационному материаловедению, и предназначено дл улучшени электрофизических, химических и механических свойств поверхности изделий из металлов и сплавов j полупроводников, диэлектриков и др.The invention relates to technical physics, in particular, to radiation materials science, and is intended to improve the electrophysical, chemical and mechanical properties of the surface of products made from metals and alloys, j semiconductors, dielectrics, etc.

Целью изобретени вл етс увеличе кие концентрации имплантируемой примеси в образце.The aim of the invention is to increase the concentration of the implantable impurity in the sample.

В способе ионной имплантации дл компенсации эффекта распылени дополнительно создают поток нейтральных атомов или ненов (частиц) с энерги ми частиц эВ. При этом дл получени потока частиц используют , один из способов; термический, пучко- во-плазменный, лазерный, электрораз- р дный и дро Выбор уровн энергий частиц эВ св зан с тем, что при таких энерги х основным процессом вл етс осаждение (напыление) частии на поверхности материала. При энергии ; частиц эВ адгезионные свойства напыл емой пленкч оказываютс очень плохими. При энерги х частиц эВ нар ду с осаждением существенным становитс распьшение материала, которое становитс прЕвалирующим при энерги х частиц Е 10 эВ,In the ion implantation method, to compensate for the sputtering effect, a stream of neutral atoms or non atoms (particles) with particle energies eV is additionally created. In this case, to obtain a stream of particles, one of the methods is used; thermal, beam-plasma, laser, electrodischarge and nucleus The choice of the energy level of particles eV is connected with the fact that at such energies the deposition of the part on the surface of the material is the main process. With energy; Particles eV adhesive properties of the sprayed film are very bad. At energies of eV particles, along with deposition, the decay of the material becomes significant, which becomes prevalent at energies of particles of E 10 eV,

В первом случае первоначально создают плазму, затем из нее извлекают и ускор ют ионы до энергии 30-200 кэВ Затем осуществл ют облучение ускоренными ионами поверхности образца. В процессе имплантации происходит накопление концентрации примеси в об- iIn the first case, a plasma is initially created, then ions are extracted and accelerated to an energy of 30–200 keV. Then, the sample surface is irradiated with accelerated ions. In the process of implantation, an accumulation of impurity concentration in the volume

разце и одновременное, распылениеsplit and simultaneous spraying

поверхностного сло материала. Толщина распыленного сло d рассчитываетс по значению скорости распьшени surface layer of the material. The thickness of the sprayed layer d is calculated from the value of the disintegration speed

S дл дозы ионов D следующим образом:S for a dose of D ions as follows:

d«|.D,d "| .D,

где N - атомна плотность веществаwhere N is the atomic density of matter

образца.sample.

Чередование процессов имплантации ускоренных ионов и напылени атомов до восстановлени первоначальной границы позвол ет увеличить концентрацию примеси в образце. Причем эффект увеличени концентрации принеси будет .существенным, если за один цшсп имплантации толщина распыленного уског ренными ионами материала не будет иревышать Rp - среднего проецированного пробе ионов в образце, т.е. когда макс1-шум концектращш еще находитс на на поверхности вещества, а на определенной глубине. Чем меньше распьт ёма за один цикл облучени толщина материала, тем больша концентраци примеси в материале достигаетс .,The alternation of the processes of implantation of accelerated ions and atomization of atoms before the initial boundary is restored allows increasing the impurity concentration in the sample. Moreover, the effect of increasing the concentration will be significant if, for one implantation implantation, the thickness of the material dispersed with accelerated ions will not exceed the Rp — the average projected ion sample in the sample, i.e. when the max1-noise concentrator is still on the surface of the substance, but at a certain depth. The smaller the amount of irradiation in a single irradiation cycle, the material thickness, the greater the impurity concentration in the material is achieved.,

Таким образом, в одном цикле облучени ускоренными ионами доза D выбираетс в соответствии с соотношениемThus, in one cycle of irradiation with accelerated ions, the dose D is selected in accordance with the ratio

„.5 После имплантации осуществл ют процесс.осажденил (напьшени ) нейтральных атомов или ионов на образец до восстановлени первоначальной границы вещества. Учитыва , что за врем имплантации ускоренных ионов с".5 After implantation, the process of precipitating (pressing) neutral atoms or ions on the sample is carried out before the original boundary of the substance is restored. Considering that during the implantation of accelerated ions with

единичной поверхности было распылено D S атом1 в вещества, образец облегчают дозой частиц, равнойa single surface was sprayed with D S atom1 in substances, the sample is facilitated by a dose of particles equal to

D,. D.S.D ,. D.S.

Поочередные процессы имплантации И напылени осуществл ют до получени необходимой концентрации примеси в образце. Максимальна концентраци при этом достигаетс не на поверхности образца, а на глубине, соответствующей среднему проецированному пробегу конов.Alternate implantation and sputtering processes are carried out to obtain the required impurity concentration in the sample. The maximum concentration is achieved not on the surface of the sample, but at a depth corresponding to the average projected range of horses.

Во втором варианте способа процесс облучени образца ускоренными ионами и частицами осуществл ют одновременно . Дл того, чтобы 1гранична поверхность образца оставалась неизменной и соответственно ионы накапливались на глубине, соответствующей их среднему пробегу в материале, поток частиц формируют равным потоку распыл емых под действием ускоренных ионов атомов поверхности образца. Процесс внедрени ионов осуществл гл- также до получени необходимой концентрации примеси. При этом максимальна концентраци внедрени npHX-secH оцениваетс соотношениемIn the second variant of the method, the process of irradiating the sample with accelerated ions and particles is carried out simultaneously. In order to keep the boundary surface of the sample unchanged and, accordingly, the ions accumulate at a depth corresponding to their average range in the material, the particle flux is formed equal to the flow of atoms of the sample surface sprayed under the action of accelerated ions. The process of introducing ions also carried out to obtain the necessary concentration of impurities. At the same time, the maximum concentration of the introduction of npHX-secH is estimated by the ratio

N.N.

D . . . D. . .

. Mtc - , : которое получено без учета эффекта распылени материала мишени ускоренными ионами в процессе имппантафш. Из последнего соотношени видно, что при выполнении условий предлагаемого способа имплантации концентраци примеси пр мо пропорциональна дозе внедренной примеси и при больших доIt ч9. Mtc -,: which is obtained without taking into account the effect of the sputtering of the target material with accelerated ions in the process of implanting. From the last relation it can be seen that when the conditions of the proposed implantation method are fulfilled, the concentration of impurity is directly proportional to the dose of implanted impurity and at large doses up to

пах D И) -И) ион/гм существенно преи(.1шлет ирелел концентрации, полу- .чаемый обычными методами.groin D I) -I) ion / gm is essentially superior (. 1 shot and concentration has been obtained by conventional methods.

В случае, если в процессе облу.че- ни образца ускренными ионами и час- тицам 1 не соблюдаетс равенство потоков или в другом варианту способа не выполн ютс услови на дозу ионов и дозу частиц, то это приводит к уменьшению максимальной концентрации при- меси.If during the shading process of the sample with accelerated ions and particles 1 the equality of the flows is not observed, or in another variant of the method the conditions for the dose of ions and the dose of particles are not met, this leads to a decrease in the maximum concentration of the impurity.

Так, например, если поток частиц в случае одновременного облучени . будет меньше потока распыл емых под действием ускоренных ионов атомов вещества, то будет происходить постепенное (хот I и с меньшей скоростью) распьшение материала и гранична поверхность вещества будет приближатьс в глубине соответствующей R.i.B этом случае максимальна концентраци будет превышать N, достигаемую обычным способом имплантации, но ее значение ограничиваетс величиной поверх ностной концентрации, когда толщина распыленного сло достигнет Rp.For example, if the flow of particles in the case of simultaneous irradiation. will be less than the flow of atoms atomized by the accelerated ions of the substance, then gradual (although I and slower) material will dissipate and the boundary surface of the substance will approach in the depth corresponding to RiB in this case the maximum concentration will exceed N, achieved by the usual implantation method, but its value is limited by the amount of surface concentration when the thickness of the sprayed layer reaches Rp.

Если поток частиц превышает поток распыл емых атомов вещества, то будет наблюдатьс движение границы облучаемого вещества в другую сторону (превалирует напыление). Это приведет к тому, что из-за посто нства Кь область, максимальной концентрации будет постепенно перемещатьс со скоростью, соответствующей скорости роста напыл емой пленки, и хот об-п щее количество внедренных ускоренных ионов будет возрастать пропорционально дозе, уровень максимальной концентрации будет ограничен скоростью перемещени поверхности.If the stream of particles exceeds the stream of atomized atoms of a substance, then the movement of the boundary of the irradiated substance to the other side will be observed (sputtering prevails). This will lead to the fact that, due to the constant K in the region, the maximum concentration will gradually move at a speed corresponding to the growth rate of the deposited film, and although the total number of implanted accelerated ions will increase proportionally to the dose, the level of maximum concentration will be limited by the speed surface movement.

Пример реализации способа ионной имплантации дан с использованием ва- куумно-дугового частотно-импульсного источника ионов, схематическое изоб ражение которого приведено на чертеже , где на фиг,1 изображена схема yctpoйcтвa, реализующего предлагаемый способ по первому варианту; на фиг.2- то же, по второму варианту.An example of the implementation of the ion implantation method is given using a vacuum-arc pulse-frequency ion source, a schematic image of which is shown in the drawing, where FIG. 1 shows a circuit of the proposed method implementing the first embodiment; 2 - the same, according to the second variant.

Устройство содержит ускор к дий электрод 1, образец 2, высоковольтный источник 3 ускор ющего напр жени ,анод А, импульсный трансформатор 5, источник питани 6, блок синхронизации 7, источник питани 8, импульсный трансформатор 9, катод 10, диэлектрическое кольцо 11, поджигающийThe device contains an accelerator diy electrode 1, sample 2, high-voltage source 3 of accelerating voltage, anode A, pulse transformer 5, power source 6, synchronization unit 7, power source 8, pulse transformer 9, cathode 10, dielectric ring 11, igniting

1one

х x

/4125/ 4125

10ten

tsts

2020

2525

30thirty

3535

4040

4545

5050

5555

174174

электрод 12, источник П ионов иelectrode 12, source P of ions and

источник 14 нейтральных часттЩсsource 14 neutral

Устройство работает/следующим образом .The device works / as follows.

При подаче от блока синхронизации 7 запускающего импульса на источники питани 6 и 8 импульсных трансформаторов 5 и 9 последние формируют импульсы напр жений, подаваемые к источнику . Под действием импульсного напр жени трансформатора 9 происходит пробой промежутка катод 10 - поджигающий электрод 12 по поверхности диэлектрического кольца 11. В результй- те дугового пробо формируетс плазма , котора , расшир сь, обеспечивает возникновение дугового разр да между анодом А и катодом 10. Питание дуги обеспечивает импульсный трансформатор 5. Формируема в результате основного дугового разр да плазма поступает в ускор ющий зазор между ускор ющим электродом 1 и анодом 4, Ускор к цее напр жение задаетс источником 3. Ускор емые из плазмы ионы после прохождени диода попадак т на образец 2. ycTpoiicTBo обеспечивает возможность реализации предлагаемого, способа за счет .многократного и поочередного проведени облучени образца ускоренными ионаьш и потоком частиц. Первоначально на электрод 1 и соответственно на образец 2 подают ускор ющее напр жение. В процессе облучени , например, образца СаАз-наг. бирают дозу D ионов внедр емой примеси , определ емую в данном случае какWhen supplied from the synchronization unit 7, a trigger pulse to the power sources 6 and 8 of the pulse transformers 5 and 9, the latter generate voltage pulses supplied to the source. Under the action of the pulse voltage of the transformer 9, a gap breaks down between the cathode 10 and the ignition electrode 12 along the surface of the dielectric ring 11. As a result of the arc breakdown, a plasma is formed, which, expanding, produces an arc discharge between the anode A and the cathode 10. Arc power provides a pulse transformer 5. Generated as a result of the main arc discharge, the plasma enters the accelerating gap between the accelerating electrode 1 and the anode 4, Accelerator, and the voltage is set by source 3. Accelerator mye ions from the plasma after passage diode popadak m on the sample 2. ycTpoiicTBo enables implementation of the proposed, method due .mnogokratnogo alternately conducting and irradiating the sample with accelerated ionash and particle flow. Initially, an accelerating voltage is applied to the electrode 1 and, accordingly, to the sample 2. In the process of irradiating, for example, a Caaz-nag sample take the dose of D ions of the impurity to be injected, defined in this case as

,25.10 -I-r-fi-|, о, 25.10 -I-r-fi- |, o

где I - ток пучка ионов;where I is the ion beam current;

t - длительность импульса тока; f - частота следовани импульсов. Из литературных данных или дополнительного эксперимента определ ют коэффициент распылени материала выбранного образца GaAs ионами данного сорта (например, Bi). При ускор ющем напр жении кВ в выбранном случае . После набора определенной дозы, t is the current pulse duration; f is the pulse frequency. From the literature or additional experiment, the sputtering coefficient of the material of the selected sample of GaAs ions of a given grade (for example, Bi) is determined. With an accelerating voltage of kV in the selected case. After taking a certain dose,

-,-,

.например ион/см () в .eg ion / cm () c.

О ABOUT

«S5«10 см), отключаетс ускор кщее напр жение и замен етс материал ка тода на GaAs. Затем источник с катодом из GaAs включаетс без ускор ющего напр жени . При этом на поверх51/"S5" 10 cm), the accelerating voltage is turned off and the material of the cathode is replaced with GaAs. Then a source with a GaAs cathode is turned on without accelerating voltage. At the same time on top51 /

ность образца осаждаютс ноны из плазмы разр да. ЕслЯ не используютс дополнительные системы ускорени , то энерги ионов плазмы в этом случае удовлетвор ет условию Е,« 1-100 эВ.Samples are deposited from the discharge plasma. If additional acceleration systems are not used, then the plasma ion energy in this case satisfies the condition E, ≈ 1-100 eV.

После измерени концентрации плаз- мы, генерируемой в разр де GaAs катодом , процесс осаждени пленки производ т до набора дозыAfter measuring the plasma concentration generated in the GaAs cathode discharge, the film deposition process is performed before the dose is set

D, 3-D ЗПО ион/см. После .этого процесса имплантации и осаждени ионов многократно повтор ют до получени необходимой концентрации В.« в GaAs..D, 3-D ZPO ion / cm. After this implantation and ion deposition process, it is repeated many times until the required concentration of B is obtained in GaAs.

Экспрессйость метода может быть существенно увеличена при использовании источника, обеспечивающего возможность генерации потоков плазмы различньпс элементов без нарушени ва- куума. Дл напылени может использоватьс поток частиц как соответствующий стехиометрическому составу образца , так и отличакщийс от него, В случае, когда поток частиц не соот- ветствует стехиометрическому составу, его величина определ етс с учетом коэффициента распылени материала напыл емой пленки ускоренными ионами. Так, например, при облучении GaAs по- током нейтральных атомов или ионов А1 коэффкЕ иент распылени пленки А1 будет меньше,, чем GaAs, и в этом слу- ч&а должна использоватьс S дл А1 прч знергйи ионов В,- - Е 60 кэВ. The expressiveness of the method can be significantly increased by using a source that makes it possible to generate plasma flows of various elements without disturbing the vacuum. For spraying, a stream of particles can be used, both corresponding to the stoichiometric composition of the sample and different from it. In the case when the stream of particles does not match the stoichiometric composition, its value is determined taking into account the sputtering coefficient of the material of the sputtered film with accelerated ions. So, for example, when GaAs is irradiated with a flux of neutral atoms or A1 ions, the coefficient of sputtering of the A1 film will be less than that of GaAs, and in this case, S should be used for A1 of the B, - E 60 keV .

Во втором случае поток ускоренных ненов формируют в источнике 13, а li iCix мзйтральных атомов или ионов в источнике 14, Оба потока направл ют SvS образах 2. В соответствии с выб- ртнюн „ режимом имплантации (энерги к сорт ускоренных ионов) и коэффициентом распылени материала образца регулировани тока пучка ускоренных ионов или потока частиц доби- даютс выполнени услови равенства готоков частиц и распыл емых атомов Так, например, при имплантации ионов В с энергией 60 кэБ в GaAs источник атомов должен обеспечить поток атомов шга ионов, равныйIn the second case, the flux of accelerated nenovs is formed in the source 13, and li iCix of the neutral atoms or ions in the source 14. Both streams direct SvS images 2. In accordance with the choice of implantation mode (energy to the type of accelerated ions) and the material sputtering ratio In the sample of controlling the current of an accelerated ion beam or particle flux, the condition of equality of the gotokov particles and sputtered atoms is achieved. For example, when implantation of 60-keB ion B in GaAs, the source of atoms must provide a flux of atoms of ions of ions equal to

Г/G /

. .s,. .s,

где .1 . - плотность тока ускоренныхwhere .1. - accelerated current density

ионов;ions;

е - зар д электрона. При J- 10 мкА/см i- 1,9 И) атом/ /,С см .e is the electron charge. When J - 10 μA / cm i - 1.9 And) atom / /, C, see.

Таким образом, использование .изобретени позволит существенно увели- чить уровень концентрации примеси в любом материале. Величина концентрации в этом случае определ етс дозой имплантируемых ионов и превышает в 10-1000 раз концентрации, получаемые в насто щее врем в различных материалах .Thus, the use of the invention will significantly increase the level of impurity concentration in any material. The concentration in this case is determined by the dose of the implanted ions and is 10–1000 times higher than the concentrations obtained at present in various materials.

Claims

1. The method of ion implantation of a substance by generating a plasma, subsequent acceleration of ions, irradiation of the sample surface with accelerated ions, and sputtering of atoms of the substrate substance, characterized in that

In order to increase the concentration of implanted impurity in the sample, sputtering is carried out by the flow of neutral atoms or ions with particle energies of 1-100 eV and the sample is repeatedly and alternately irradiated with accelerated ions with dose D and particles

ABOUT

dose S,

where RP is the average projected mileage of the accelerated ion in the sample;

S is the coefficient of dispersion in the surface layer of the sample; N is the atomic density of the sample substance.

2. The method according to claim 1, which differs from the fact that the spraying and irradiation process are carried out simultaneously, and the flux of neutral atoms or ions is formed by equal density of flux sprayed under the action of accelerated ions of the sample atoms.

.2